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Gabriel DUTIER Cavité nanométrique de vapeur de Césium : spectroscopie à haute résolution et interaction de surface de type van der Waals Université Paris.

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1 Gabriel DUTIER Cavité nanométrique de vapeur de Césium : spectroscopie à haute résolution et interaction de surface de type van der Waals Université Paris 13 Villetaneuse Laboratoire de Physique des Lasers Institut Galilée

2 I. Hamdi A. Yarovitski(Lebedev Physical Institute, Moscow) S. Saltiel(University of Sofia, Bulgaria) M. Fichet M-P. Gorza D. Bloch M. Ducloy Laboratoire de Physique des Lasers Equipe OCR :

3 INTRODUCTION Objectif et finalité : OCR dans FASTnet, étude des effets liés au confinement d’un système atomique proche d’une paroi physique. Problématiques : QED en cavité, modification d’état atomique Spectroscopie, propriété de vapeur à l’interface d’une fenêtre Résultats antérieurs : Potentiel répulsif (réflexion sélective) Cellule mince (10 à 100 microns) : trop large Projet en début de thèse : Sonder très proche des surfaces (5 nm) : croisement de niveaux En cours de thèse : Utilisation des nouvelles cellules ultra minces (nanométriques)

4 PLAN DE L’EXPOSÉ 1.Des Cellules Minces aux Cellules Ultra Minces 2.Spectroscopie en Cellule Ultra Mince 3.Interaction Atome-Surface : 1.- van der Waals attractif 2.- van der Waals résonnant 3.- Croisement de niveaux 4.Conclusion et perspectives

5 LES CELLULES MINCES (jusqu’à 100 µm) Sélection de vitesse : L/v >> : Régime permanent L/v : Régime transitoire Spectre sub-Doppler Faisceaux à incidence normale - Vapeur diluée : vol de paroi à paroi - Désexcitation optique par collision sur les parois faisceau lumineux

6 Absorption d’une vapeur atomique en Cellule Mince : Absorption Usuelle en Cellule Macroscopique Terme de phase Atome à 2 niveaux : Absorption : Sub-Doppler pour : : Rétrécissement Dicke cohérent

7 La Réflexion Sélective (cellules en volume) FenêtreVapeur Réflexion Sélective Transmission P 0 (z) : Réponse atomique en régime transitoire (z=v z t) Le signal de réflexion sélectif est dispersif FM = d(RS)/d  : sélection de vitesses lentes exp(2ikz) : épaisseur sondée ~ /4  (à incidence normale) Méthode d’investigation de l’interaction de vW

8 Absorption d’une vapeur atomique en Cellule Ultra Mince (<1 µm) : Réflexion Sélective + Réflexion 2 ème fenêtre +... Fabry-Perot : Transmission + Réflexion 1 ère fenêtre +... n 1 r r n 1 : Absorption : Dispersion

9 CELLULE ULTRA MINCE (<1 µm) Fenêtres : - YAG ou Saphir - Très bien polies Cellule sous vide : La pression atmosphérique déforme le volume interne localement Vapeur de Césium à l’intérieur.

10 MESURE D’ÉPAISSEUR Interface Cellule Ultra Mince f = 10 cm 1 ère fenêtre faisceau sonde Cellule Ultra Mince = Fabry-Perot Intensité réfléchie à l’interface = f(d, )

11 MESURE D’ÉPAISSEUR Précision ~ 10 nm Epaisseur entre les fenêtres : 30 à 1300 nm Mesure du coefficient de réflexion 633 nm 894 nm 1300 nm

12 PLAN DE L’EXPOSÉ 1.Des Cellules Minces aux Cellules Ultra Minces 2.Spectroscopie en Cellule Ultra Mince 3.Interaction Atome-Surface : 1.- van der Waals attractif 2.- van der Waals résonnant 3.- Croisement de niveaux 4.Conclusion et perspectives

13 Transition D 1 du Cs à 894 nm : Le montage expérimental : Diamètre du faisceau focalisé = 100 µm P = 100 nW 6S 1/2 6P 1/2 9 GHz 1.2 GHz F=3 F=4 F=3 F=4 PD2 PD1 Cellule Ultra Mince f = 10 cm Spectro Linéaire EXPERIENCE

14 R é sultats exp é rimentaux : r é tr é cissement Dicke coh é rent Transmission FMCs(D 1 ) Transmission Directe /2 ~3 /2

15 R é sultats exp é rimentaux : Cs(D 1 ) Transmission Directe Expérience :Théorie :

16 Résultats en réflexion: Expérience :Théorie :

17 PLAN DE L’EXPOSÉ 1.Des Cellules Minces aux Cellules Ultra Minces 2.Spectroscopie en Cellule Ultra Mince 3.Interaction Atome-Surface : 1.- van der Waals attractif 2.- van der Waals résonnant 3.- Croisement de niveaux 4.Conclusion et perspectives

18 Interaction Atome-Surface Van der Waals augmente pour les états excités : Rydberg (Haroche et Hinds, YALE) videfenêtre z Modèle des Images Electriques : D : Opérateur dipolaire

19 Plusieurs potentiels vW théoriques entre deux fenêtres Echelle Log 70% épaisseur utilisée

20 Déplacement rouge > < > < Transmission FM, Cs(D 1 ), fenêtres en YAG 1 seule surface : C 3 =2 kHz.  m 3 A 100 nm : déplacement=2MHz Déplacement rouge : 10 MHz Largeur : 70 MHz Déplacement rouge : 90 MHz Elargissement : 170 MHz Déplacement rouge : 200 MHz Elargissement : 600 MHz

21 Réflexion FM, Cs(D 1 ), fenêtre en YAG EXPERIENCE Déplacement, MHz 60 nm 80 nm 90 nm 130 nm 53 nm Déplacement, MHz F = 4 F = 3 THEORIE

22 Couplage Résonnant (dispersif) entre Cs (6D 3/2 ) et la Surface de Saphir Couplage en EMISSION (uniquement pour niveaux excités) Emission atomique virtuelle couplée avec l’absorption virtuelle d’un polariton de la surface diélectrique Surface de saphir 21  m 12  m Césium 876 nm  m 6 P 1/2 894 nm  m 6 D 3/2 7 P 1/2 7 P 3/2 6 S Le niveau Cs(6D 3/2 )-saphir : diélectrique dispersif

23 Cs (6D 3/2 )-saphir : Potentiel Répulsif Le niveau Cs(6D 3/2 )-saphir : diélectrique dispersif 1 seule surface : Niveau Résonnant : C 3 = -160 kHz.  m 3 (valeur expérimentale) Déplacement = -160 MHz à 100nm

24 En transmission : excitation à deux photons - co(-contra)propageant - configuration à 60° (à Brewster) Dans les deux cas : - effets Stark dynamique non maîtrisés - petites épaisseurs non atteintes excitation par étapes 6S 1/2 -6P 1/2 (894 nm) + 6P 1/2 -6D 3/2 (876 nm) Peuplement du niveau 6P 1/2 aux faibles épaisseurs ? Le niveau 6D 3/2 en Cellule Ultra Mince : fenêtres en saphir 6S-6P6P-6D k total k 6S-6P k 6P-6D

25 Excitation par étapes du niveau 6D 3/2 Sonde sur 6P-6D (876 nm) - Elargissement - Asymétrie - Déplacement Bleu Transmission directe en Cellule Ultra Mince : fenêtres en saphir

26 « Croisement de niveaux » : z ~ 5 nm THz Coef. d’image diélec (MHz.µm 3 ) Evolution du couplage résonnant entre le niveau 6D 3/2 et la surface de saphir avec la distance :

27 5 nm 50 < d < 500 nm 5 nm « Croisement de niveaux » : z ~ 5 nm ?  ~1-50 GHz Croisement évité entre les 2 potentiels : états liés

28 Le laser nm  Laser à 920 nm avec une cavité étendue en configuration Littman.  Balayable sur 6 nm (1.7 THz) entre 916 nm et 922 nm.  Résolution spectrale du système de 0.3 GHz ( -mètre).  Spectroscopie dans les ailes de raies : sensibilité jusqu’à de l’absorption Césium 917 nm 6 P 3/2 6 S 1/2 852 nm 6 D 5/2 6 D 3/2 921 nm

29 Transmission à d = /2 = 458 nm T=250°C

30 PLAN DE L’EXPOSÉ 1.Des Cellules Minces aux Cellules Ultra Minces 2.Spectroscopie en Cellule Ultra Mince 3.Interaction Atome-Surface : 1.- van der Waals attractif 2.- van der Waals résonnant 3.- Croisement de niveaux 4.Conclusion et perspectives

31 Conclusion 1.Epaisseur sondée et mesurée à 10 nm près 2.La réponse optique en Cellule Ultra Mince est un mélange absorption-dispersion 3. Interaction Atome-Surface : - van der Waals attractif : observation et modélisation - van der Waals résonnant : en cours... - Croisement de niveaux : pas d’effet à mieux que

32 Résolution Spatiale du van der Waals Transmission en Cellule Ultra Mince à d = 32 nm PERSPECTIVES :

33 PERSPECTIVES (suite) : 2 fenêtres : images multiples d fenêtre Grandes différences pour le 6D 3/2 (interférences)

34 Piège à atomes entre deux potentiels répulsifs en Cellule Ultra Mince : - Deux potentiels van der Waals répulsifs - Deux Ondes É vanescentes PERSPECTIVES (suite) :

35 Interaction van der Waals atome-atome en cavité : Transmission en milieu dense > at/cm 3 Observation de différences entre les 4 transitions hyperfines de Cs(D 1 ) avec la pression Épaisseur sub-longeur d’onde : d< ij +...


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